溫宇寧

(遼寧新發(fā)展公路科技養(yǎng)護(hù)有限公司 沈陽市 110103)

0 引言

氯離子滲透特征是從高含量區(qū)到低含量區(qū)滲透，氯離子滲透的原動(dòng)力是含量差。在普通氯鹽環(huán)境，氯離子由高含量區(qū)域向低含量區(qū)域滲透，而在海洋環(huán)境浪濺區(qū)，氯離子則依靠干濕交替的表面吸收并通過混凝土內(nèi)部孔隙向里滲透[1]?；炷粮鹘孛娴穆入x子含量不是靜態(tài)的固定值，而是動(dòng)態(tài)變化的，因?yàn)槁入x子在混凝土內(nèi)部滲透過程中，部分氯離子被硅酸鹽水泥硬化漿體吸收，當(dāng)混凝土碳化后，堿度降低，部分被吸收的氯離子變成自由氯離子[2]，導(dǎo)致混凝土各截面氯離子含量動(dòng)態(tài)變化。

目前判別混凝土氯離子腐蝕因素歸納有：表面氯離子含量、氯離子滲透深度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)。目前氯離子含量滲透規(guī)律，多數(shù)采用修正Fick第二定律。由于混凝土材料非勻質(zhì)性，而且混凝土構(gòu)件所處地理位置、氣候條件和強(qiáng)度等級(jí)不同，因此氯離子含量滲透離散性較大，在對(duì)遼寧公路在役橋梁實(shí)測氯離子含量統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合Fick第二定律，總結(jié)出遼寧地區(qū)混凝土橋梁氯離子含量分布特征，為以后的橋梁新建和養(yǎng)護(hù)提供參考。

1 遼寧地區(qū)實(shí)測氯離子含量分布

(1)實(shí)測氯離子含量符合指數(shù)分布

對(duì)不同在役年限的橋梁進(jìn)行氯離子含量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氯離子含量隨混凝土深度變化有4種狀態(tài)：

①氯離子含量隨混凝土表層向內(nèi)部逐漸減小。

②氯離子含量隨混凝土表層向內(nèi)部逐漸增大。

③氯離子含量隨深度增加變化不大。

④氯離子含量隨深度增加先增大后減小。

一般鹽凍腐蝕條件下，混凝土表面沒有嚴(yán)重腐蝕，其氯離子分布基本符合指數(shù)分布。其擬合相關(guān)系數(shù)在0.75～0.95之間。

C(t,x)=C0e-mx

(1)

式中：C(t,x)為代表時(shí)間為t時(shí)，x深度處的氯離子含量(%)；C0為混凝土表面氯離子含量(%)；x為距表面深度(m)；m為參數(shù)，-mx<0，表示氯離子含量隨x深度增加而減小，m越大減少斜率越大，含量減少越快。當(dāng)-mx>0時(shí)，表示氯離子含量隨x深度增加而增加。

距表面0.05m處氯離子含量：C0.05=Coe-m0.05

(2)當(dāng)混凝土達(dá)到臨界含量0.058%時(shí)截面深度x1

(2)

(3)截面深度保護(hù)層厚度0.05mt時(shí)擴(kuò)散系數(shù)

(3)

式中：t0為混凝土結(jié)構(gòu)開始接觸氯鹽環(huán)境時(shí)的齡期(通常取28d)；k為凍融影響系數(shù)。

(4)保護(hù)層為0.05m鋼筋表面達(dá)到臨界含量0.058%所需時(shí)間

(4)

式中：D0為代表t0時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)；α為齡期系數(shù)，按下式計(jì)算：

式中：%FA為粉煤灰在膠凝材料中的百分比；%SG為礦渣在膠凝材料中的百分比。

不考慮時(shí)間因素：

(5)

2 除冰鹽地區(qū)橋梁構(gòu)件氯離子含量分布擬合

2.1 防墥墻氯離子含量分布

遼寧部分地區(qū)防墥墻氯離子含量分布見表1。

2.2 橋面混凝土鋪裝氯離子含量分布

遼寧部分地區(qū)橋面氯離子含量分布見表2。

2.3 主梁氯離子含量分布

遼寧部分地區(qū)主梁氯離子含量分布見表3。

表1 遼寧部分地區(qū)防撞墻氯離子含量分布

表2 遼寧部分地區(qū)橋面氯離子含量分布

表3 遼寧部分地區(qū)主梁氯離子含量分布

3 特征值之間關(guān)系

(1)當(dāng)表面氯離子含量C0>0.058%時(shí)，臨界含量截面深度x1經(jīng)擬合符合式(6)，參數(shù)A、B見表4。

x1=AeBC0

(6)

表4 參數(shù)A、B

(2)當(dāng)表面氯離子含量C0>0.058%時(shí)，x=0.05發(fā)生臨界含量時(shí)所需時(shí)間tcr經(jīng)擬合符合式(7)。

tcr=EeFC0

(7)

參數(shù)E、F見表5。

(3)碳化深度x0、混凝土強(qiáng)度M、使用年限t、表面氯離子含量c0與參數(shù)G、H、I、J關(guān)系經(jīng)擬合基本符合式(8)，參數(shù)G、H、I、J見表6。

表5 參數(shù)E、F

C0=0.114+0.00433t+0.003938(G、H、I、J)-0.00296x0-0.00609M

(8)

表6 參數(shù)G、H、I、J

(4)擴(kuò)散系數(shù)時(shí)效性

擴(kuò)散系數(shù)大小與混凝土水膠比、膠凝材料品質(zhì)與摻量以及環(huán)境條件多種因素有關(guān)，并隨環(huán)境氯離子作用時(shí)間的增長而降低。Life-365提出，作用時(shí)間大于25年后氯離子不隨時(shí)間增長而降低。為便于對(duì)混凝土耐久性評(píng)估需要，經(jīng)統(tǒng)計(jì)防撞墻保護(hù)層深度0.05m平均擴(kuò)散系數(shù)D0.05與時(shí)間t關(guān)系符合指數(shù)分布如表7。

表7 防撞墻保護(hù)層深度0.05m平均擴(kuò)散系數(shù)D0.05與時(shí)間t關(guān)系

當(dāng)t>8年時(shí)：

D0.05=70.699e-0.1872t

(9)

4 考慮鹽凍組合Fick第二定律修正

4.1 考慮凍融氯離子擴(kuò)散系數(shù)修正

(10)

式中：t為混凝土表面受環(huán)境氯離子作用時(shí)間(a)；C(x,t)為經(jīng)過t時(shí)間氯離孒侵蝕到離表面深度為x處的氯離子含量；erf為誤差函數(shù)； x為距離表面深度(m)；k為考慮混凝土凍融損傷系數(shù)；D0為t0時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)； CS為混凝土初始氯離子含量。

離表面深度為x處的氯離子擴(kuò)散系數(shù)：

(11)

式中：x為距離表面深度(mm)；t為時(shí)間(a)；CS為混凝土初始氯離子含量。

4.2 凍融影響系數(shù)k

設(shè)相對(duì)凍融較少在x=0.05m檢測時(shí)擴(kuò)散系數(shù)Dt1、氯離子含量c0.05，表面含量為C01。則滿足方程：Dt1=x2/(4×t×[erf-1(1-c0.05/c01)]2)。

經(jīng)凍融在表面氯離子含量C02作用下，在x=0.05m檢測時(shí)擴(kuò)散系數(shù)Dt=k×Dt1、具有相同凍融較少氯離子含量c0.05。

則凍融影響系數(shù)k：

k=[erf-1(1-c0.05/c01)]2/[erf-1(1-c0.05/c02)]2

4.3 遼寧地區(qū)凍融影響系數(shù)k

由于同一個(gè)構(gòu)件、在同一深度具有相同氯離子含量且表面氯離子含量不同，而且要求一個(gè)能代表是鹽腐，而另一個(gè)能代表鹽凍，目前這類檢測數(shù)據(jù)尚少。為此目前僅能根據(jù)滿足上述條件的不同橋梁構(gòu)件進(jìn)行擬合，因此k系數(shù)有待今后進(jìn)一步完善。

表8 凍融影響系數(shù)k

5 結(jié)論

5.1 防撞墻

防撞墻是直接接觸除冰鹽的橋梁構(gòu)件，撒布除冰鹽的數(shù)量和頻率直接影響防撞墻中氯離子含量。從試驗(yàn)結(jié)果來看，鐵嶺、本溪、沈陽地區(qū)的防撞墻中氯離子含量較大，因?yàn)檫@些地區(qū)的防撞墻外觀質(zhì)量較差，多數(shù)防撞墻處于混凝土表層松散、鋼筋外露銹蝕的狀況?；貜椫递^高的防撞墻，其氯離子含量較少，這與室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果基本一致。對(duì)于同一橋梁的防撞墻，取樣位置不同，其氯離子含量也略有差異。防撞墻鹽凍破壞的高度大致是距離地面0～50cm范圍，該區(qū)域的防撞墻混凝土氯離子含量要比其他區(qū)域高得多。

若對(duì)防撞墻進(jìn)行防護(hù)處理，或采用高性能混凝土，能很有效地預(yù)防氯離子的侵蝕滲透。沈四線的防撞墻基本都做了涂刷防腐涂料處理，因此，該地區(qū)的防撞墻內(nèi)部氯離子含量要遠(yuǎn)小于其他高速公路的防撞墻。

5.2 橋面鋪裝

橋面鋪裝是水平面直接接觸除冰鹽的橋梁構(gòu)件，撒布除冰鹽的數(shù)量和頻率以及瀝青混凝土的表觀狀況和防水層好壞均影響橋面鋪裝中氯離子含量。

從數(shù)據(jù)結(jié)果來看，若瀝青層出現(xiàn)病害(如瀝青混凝土修補(bǔ)、瀝青混凝土縱縫等)，對(duì)應(yīng)的頂層橋面混凝土氯離子含量會(huì)較大；若瀝青混凝土層未出現(xiàn)病害，對(duì)應(yīng)的橋面混凝土氯離子含量會(huì)較小。從現(xiàn)場調(diào)研來看，行車道的瀝青混凝土破損最為普遍，該區(qū)域的橋面鋪裝混凝土的氯離子含量也較其它位置要大，因?yàn)樾熊嚨佬旭偟能囕v較多，并且重車均在行車道行駛，鋪裝容易破損促進(jìn)氯離子的滲透。

在北方地區(qū)，橋面鋪裝混凝土必定會(huì)受到氯離子的鹽蝕，只是鹽蝕程度各有不同。除冰鹽主要對(duì)鋼筋混凝土帶來兩方面的不利影響[3]：鋼筋銹蝕和混凝土剝蝕破壞。沈本線太子河橋和李家山橋，橋面鋪裝混凝土頂層已經(jīng)鹽酥5cm左右，大大影響了結(jié)構(gòu)安全和行車安全，沈本線的大峪二號(hào)橋的橋面鋪裝就因?yàn)辂}蝕過重，重車行駛時(shí)，將橋面板局部壓露。改進(jìn)鋪裝結(jié)構(gòu)如采用復(fù)合混凝土替代瀝青混凝土作為上面層，將會(huì)有效地防止氯離子對(duì)橋面鋪裝的侵蝕，同時(shí)也會(huì)提高橋面耐久性。

5.3 主梁

由于主梁混凝土一般標(biāo)號(hào)較高，并且主梁不直接接觸鹽類，因此主梁混凝土中氯離子含量相對(duì)其它構(gòu)件要少。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，遼寧北方地區(qū)主梁氯離子含量要大于遼寧南部。海灣大橋雖處于海洋環(huán)境，并且建橋時(shí)間也較長，但混凝土標(biāo)號(hào)較高，因此僅僅表層混凝土氯離子含量較高，內(nèi)部混凝土氯離子含量較低，因此，提高主梁混凝土標(biāo)號(hào)是抵抗氯離子滲透最有效的手段。

對(duì)于空心板主梁，如果底板和腹板均有鹽凍病害，往往底板氯離子含量要高于腹板。以沈環(huán)線養(yǎng)竹中橋?yàn)槔?，該橋邊梁底板有?shù)條縱縫，并且底板裂縫附近混凝土明顯鹽凍破壞，該邊梁底板鹽凍破壞處的混凝土氯離子含量要遠(yuǎn)高于腹板鹽凍破壞處的混凝土氯離子含量，究其原因，由于底板出現(xiàn)了裂縫，空氣中的二氧化碳和板內(nèi)的水分使板底混凝土更容易劣化，這樣，氯離子的侵入就更容易。對(duì)養(yǎng)竹中橋邊板主筋進(jìn)行調(diào)查，對(duì)于同一根主筋，板底縱縫位置處鋼筋已經(jīng)銹蝕，螺紋已經(jīng)銹沒，而無裂縫位置處的鋼筋沒有銹跡。

位于伸縮縫梁端以及邊梁泄水孔附近截面氯離子含量高、混凝土鹽凍破壞嚴(yán)重，沈本線李家山橋邊梁泄水管附近預(yù)應(yīng)力鋼絞線銹斷，影響橋梁承載能力。

對(duì)于伸縮縫梁端及泄水口孔附近邊梁宜采用涂層防腐。